滑动轴承试验台计算机测试系统的研究

摘要：本文为一滑动轴承试验台设计了一套PC测试系统，该系统能够测量滑动轴承中动压油膜沿轴向、周向的压力分布情况，所测压力信号经过A/D转换装置转换为数字信号后，可直接送入微机进行数据采集和处理，而且测量结果与理论分析结果相一致。

关键词：滑动轴承；试验台；传感器；PC测试系统

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)16-21342-03

The Computer Measuring System Development of Hydrodynamic Lubrication Journal Plain Bearing Test Stand

WU Li-ying

(Inner Mongolia Science and Technology University, Bao Tou Teacher College, Baotou 014030,China)

Abstract: The paper designed the PC Mesuring System for a Plain Bearing Test Stand. The system can measure the pressure distribution in lubricating film in the axial direction and around the circle. The pressure signal is changed into numerical signal by A/D. Then it is sent to the computer through which data are gathered and processed. And the experimental result is consistent with the analytic result of the theory.

Key words: Plain bearing;Test stand;Sensors;PC Measuring Systems

对于工科类高等学校机械类专业的学生而言，“机械设计”是一门实践性很强的课程，在学习该课的“滑动轴承”这一章内容时，为了帮助学生获得关于流体动压滑动理论的感性知识，加深他们对流体动压滑动轴承承载机理的理解，许多高校开设了“流体动压滑动轴承实验课”，但是据调查，许多学校由于实验设备陈旧，测量装置不灵敏，数据采集和处理手段落后而达不到实验目的，满足不了教学要求，有的学校已经停止了流体动压滑动轴承实验课。基于此种情况，我们重新研制了一台新型滑动轴承试验台，本文主要阐述此试验台测试系统的设计。

1 滑动轴承试验台试验轴承结构

本试验台的滑动轴承的轴瓦设计为剖分式结构，它由上、下半瓦组成。其结构如图1所示。

图1 试验轴承结构图

Fig. 1 Tested Bearing Structure Chart

2 试验台的测试要求及测试方法

2.1 测试的必要性

随着科技的进步，传统的以仪器、仪表为主的测试方式已逐渐被以计算机为核心的现代测试系统所取代，这就要求新型流体动压径向滑动轴承试验台能通过新的测试手段更好地反映轴承的实际工作情况。

2.2 测试要求

本试验台主要用于研究不同参数下滑动轴承中动压油膜的压力分布情况，压力是我们测试的关键物理量，此待测量是一非电量，需要通过电测方法将其变换成与它相关的电信号（电压、电流、频率等）。

由于本试验台兼具教学和科研多方面工作的需要，对其压力测试系统提出了更高的要求：1)要能测量滑动轴承中动压油膜完整的周向、轴向压力分布；2)能够快速进行在线实时测量；3)能够实时进行信号分析处理。

欲满足这些要求，需要构建基于PC的测试系统。试验台测试系统以PC机为核心，能最大限度地完成测试的全过程。既能实现信号的检测，又能对信号进行分析和处理。

2.3 油膜压力的测试方法

本文为了获得连续的周向、轴向压力分布曲线，采用传感器法来测量油膜压力。图1试验轴承结构示意图中表示出了采用此法时测试装置的安放位置，压力传感器被安装在试验轴的径向孔内，随轴一起转动，可以获得传感器所在截面的连续的周向压力分布曲线。沿轴向移动试验轴时，还能测得连续的轴向压力分布曲线。

3 测试系统工作原理及其组成

3.1 测试系统工作原理

试验台的测试系统用于将基本形式的输入―压力―转换为模拟量，然后对它进行加工，并作为输入的已知函数从输出端输出。本世纪以来，随着半导体集成电路和数字计算机的迅速发展，测试系统逐渐走向数字化、自动化、集成化、多功能化和快速化。由于微型计算机的广泛应用，出现了各类自动综合测试系统。本文的测试系统主要包括压阻式压力传感器、放大电路板、集流器、数据采集板和计算机，结构框图如图2所示。

图2 试验台测试系统组成图

Fig.2 The Measuring System of the Test Stand

其工作流程是：首先压力传感器将获得的压力信号转换成相应的电量，放大电路将此微弱电量加以放大，成为幅值适量的连续变化的模拟量，该模拟量经A/D转换电路转换为与其等量的数字量输入微机进行数字化分析处理，最后获得被研究对象的各种结果，并可在终端屏幕上显示或通过打印机打印数据和绘制图形。微机的引入不仅提高了测试精度，而且增加了系统的可靠性。

3.2 测试系统组成

传感器将非电物理量―压力转换成电量的装置。它在测试系统中占有十分重要的地位。由于试验轴承相对间隙较小，为减弱安装在轴上的测试装置对原流场的干扰，减轻测试点处因安装传感器而产生的压力值的变化，本文采用微型化的半导体压力传感器进行测量。

由于传感器的输出电压太小，只有0～100mv ，为减小量化误差和抵抗外界干扰，中间采用放大电路将传感器输出转换成为0～5V的、与A/D转换器相适配的电压信号。为把信号精确地传输出去，使测量结果受集流器影响较小，本文将放大电路和传感器组装成一体。这种结构体积小、稳定性好，便于安装和操作。满量程时的标准输出为0～5V。此种输出方式精度高、共模抑制比高、输入阻抗高、抗干扰性好。为了实现仪器之间的兼容性， A/D采样板标准输入为±5V，滤波器则允许更大的电压值。

集流器用于把传感器和放大电路的输出信号引出轴外，防止信号线由于随轴转动而导致缠绕。

计算机是整个测试系统的中枢，负责信号的采集、存储、分析和处理，还负责分析结果的显示和打印。

A/D转换器[5]是模拟电路与数字电路的接口，用来将连续的电压信号转换成计算机可接受的数字信号。它的工作过程一般包括采样，量化和编码三个阶段。

4 实验结果分析

4.1 实验数据的分析方案

为了对所得实验数据进行各种分析，突出有用信息，求取实验参数―压力―的最佳测量值，最后能够总结出试验轴承的压力分布规律，我们利用程序设计语言MATLAB自编程序对实验数据进行了一系列的处理。

MATLAB是一种科学计算语言，适用于信号处理、图像处理以及工程问题求解等领域，它使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且容易由用户自行扩展，当前已成为美国及其它发达国家教学和科学研究中必不可少的工具，故本文采用MATLAB来分析处理实验数据。

本文对实验数据的分析与处理包括计算和画图，为完成这两项任务，我们利用MATLAB语言分别编制了数据分析程序analyze.m和绘图程序plot.m，前者用于分析计算由采样程序采得的数据，后者用于将分析处理后的数据连接成光滑的实验曲线。

通过计算机调用采样程序和数据分析处理程序，可以完成信号的在线分析处理，并能通过绘图程序将实验结果方便而快速地呈现给实验者。

本文实验中，将现有的五套轴瓦逐一与轴进行配合，通过分别调整加载系统的压力、主轴转速、油温度来改变轴承的基本参数，在不同参数条件下，测量了轴承中压力场的实际分布情况，获得了各个参数对压力分布的影响。下面是上述工况条件下所得的部分实验结果及其分析。

4.2 实验结果及其分析

实验时，所用试验轴承B的几何参数如表1所示。

表1 试验轴承的几何参数

Table 1. Geometrical parameters of tested Bearing

下面是实验所得的部分实验结果及其分析。

1)流体动压径向滑动轴承中油膜沿周向的压力分布

图3是轴承B的同一截面位置在主轴转速为900r/min、进油温度为18摄氏度、加载油压分别为0.2、0.4、0.5Mpa条件下的周向压力波形。

由图可知：在其它参数相同的情况下，随着轴承外载荷的增加，周向压力分布曲线的压力峰值在增大。这与理论分析结果相同。

图3 流体动压滑动轴承周向压力分布曲线

Fig.3The pressure distribution in lubricating film around the circle

2)流体动压径向滑动轴承中油膜轴向的压力分布

将B轴承在相同工况下所得的各个截面的压力峰值进行拟合处理，分别得到其沿轴向的压力分布曲线，如图4所示。

由图可知：轴承沿轴向的压力分布曲线呈抛物线型，并对称于中截面。这与理论分析结果相同。

图4 流体动压滑动轴承轴向压力分布曲线

Fig.4The pressure distribution in lubricating film in the axial direction

5 结束语

试验台的测试系统能够快速实时地测量滑动轴承中动压油膜沿周向、轴向的压力分布情况，并能够进行实时信号分析处理，所测实验数据能够反映流体动压径向滑动轴承的压力分布规律及其影响因素，可靠性和可重复性较好，其开发研制是成功的。

参考文献：

[1] 薛永宽，郭邦兴，谢友柏.滑动轴承油膜压力测量的研究[J]，与密封，1984,(1):30-35，.

[2] 朱明武，等：动压测量[M]，国防工业出版社，20-26，1983.

[3] 刘兆琦.测试技术与传感器[M]，西北工业大学出版社，1－5，31－41，1993.

[4] 杨振江.A／D，D／A转换器接口技术与实用线路[M].西安电子科技大学出版社，54－55，1996.

[5] 王凤鸣.非电量检测技术[M].国防工业出版社[M]，320-338，1991.

[6] 楼顺天，李博菡.基于MATLAB的系统分析与设计[M].西安电子科技大学出版社，126-280，1999.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。